Eigenverbrauch steigern: Warmwasser mit Solarstrom
Hygienische und energetische Anforderungen sprechen dafür, Warmwasser nur bei Bedarf und elektrisch zu erzeugen. Dazu eignen sich Durchlauferhitzer, an die durchaus mehrere Zapfstellen angeschlossen sein können. Die Direkterwärmung bedarf jedoch hoher Stoßströme. Besser sind Boiler mit einem kleinen, integrierten Speicher. Ihre Leistungsaufnahme ist deutlich geringer. Als Untertischgeräte kann man sie unter den Waschtisch oder die Spüle montieren, das minimale Speichervolumen beträgt fünf Liter. Sinnvoll sind auch Wasserkocher, die oberhalb der Spüle montiert werden. Auch sie fassen fünf Liter.
Solche Warmwassergeräte benötigen nur sehr kurze Leitungen und brauchen keine Zirkulation. Die Bauart der Warmwasserzirkulation hat einen starken Einfluss auf die Effizienz der Anlage und die Anlagenaufwandszahl. Denn die Pumpen benötigen elektrischen Hilfsstrom. Läuft die Zirkulationspumpe im Dauerbetrieb, stimmt etwas nicht. Eine bedarfsgerechte Pumpe verbessert die Anlagenaufwandszahl beträchtlich. Sie tritt nur dann in Aktion, wenn an der Zapfstelle tatsächlich warmes Wasser abgefordert wird.
Für jede Wohnung separates Warmwasser
In mehrgeschossigen Gebäuden bietet es sich an, das Warmwasser in jeder Wohnung separat zu bereiten. Man spricht von wohnungszentralen Systemen. Herzstück ist ein einziger Boiler oder Durchlauferhitzer. Der Boiler hat 80 oder 100 Liter im Speicher. Er kann im Bad, in der Küche oder zentral im Flur hängen, um die Leitungslängen zu begrenzen.
Elektroboiler lassen sich aus Steckdosen mit 230 Volt versorgen, mit überschaubarer Leistungsaufnahme. Ein Durchlauferhitzer mit hoher Schüttleistung braucht 18 Kilowatt, also Drehstrom (400 Volt in drei Phasen), inklusive Absicherungen. Allerdings haben Durchlauferhitzer keine Wärmeverluste durch Speicherung. Das leidige Problem der Verkalkung fällt bei ihnen nur gering ins Gewicht. Jeder Millimeter Kalk auf den Heizwendeln treibt den Stromverbrauch um 10% in die Höhe.
Wird Warmwasser mit Sonnenstrom oder Solarwärme bereitet, geht die Anlagenaufwandszahl sprichwörtlich in den Keller. Aber auch an dieser Stelle gilt das Gebot der Effizienz. Beim Einsatz von solarthermischen Kollektoren sollte die solare Deckungsrate in der Warmwasserbereitung mindestens 60% erreichen. Dann bleiben der Notbrenner oder die unterstützende Wärmepumpe im Sommer abgeschaltet.
Meistens braucht man für die solare Trinkwarmwasserbereitung mit thermischen Kollektoren sehr große Pufferspeicher. Nur dann kann die Hitze in den Kollektoren im Sommer gut abgeführt werden. Andernfalls stagnieren sie und werden durch Überdruck („Kochen“) geschädigt. Große Speicher lassen sich aber nicht überall aufbauen. Entscheidend ist das Kippmaß, um sie durch die Kellertür zu bugsieren.
Frisches Wasser erwärmen
Neuerdings gewinnt die Technik der Frischwassererwärmung an Bedeutung. Sie kombiniert einen hydraulischen Durchlauferhitzer mit einem Pufferspeicher, von dem der Kreislauf des Trinkwassers jedoch getrennt ist. Über einen Wärmetauscher stellt der Pufferspeicher lediglich die Wärme für das Warmwasser bereit. Das Trinkwasser wird bei Bedarf durch den Plattenwärmetauscher der Frischwasserstation gepumpt und dabei auf die erforderliche Temperatur gebracht.
In den Speichern oder in langen Rohrleitungen kann es passieren, dass warmes Wasser lange steht, ohne zu zirkulieren. Dann bildet es ideale Brutstätten für Keime und Mikroben, darunter den gefürchteten Legionellen. Deshalb ist in den technischen Vorschriften festgelegt, dass Warmwassersysteme ab einem bestimmten Speicher- und Stagnationsvolumen regelmäßig auf 65°C aufgeheizt werden müssen, um die Keime abzutöten. Für dezentrale, elektrische Durchlauferhitzer gilt dies nicht, wohl aber für Boiler mit Heizwendel oder natürlich die Warmwasserbereiter im Keller, die ihre Wärme aus einem Gaskessel oder einer Wärmepumpe beziehen.
Für Mehrgeschossgebäude wird meist eine Aufheizung auf 65°C eingebaut, auch wenn sie aus Frischwasserstationen versorgt werden. Denn in der mitunter sehr langen Verrohrung stagniert das warme Wasser unter Umständen viele Stunden, ehe es genutzt wird. Zum Vergleich: Zum Baden oder Duschen reichen 38 Grad Celsius völlig aus.
Sonnenstrom für Küche und Duschbad
Bis vor kurzem wurde Sonnenstrom meist ins Stromnetz eingespeist. Durch die Novellen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) und die fallenden Systemkosten in der Photovoltaik rückt der Eigenverbrauch im Gebäude in den Blickpunkt. Zumal die Preise der großen Stromversorger weiter steigen.
Neben den elektrischen Verbrauchern im Haus bietet vor allem warmes Trinkwasser eine gute Möglichkeit, den Eigenverbrauch des Solarstroms zu steigern. Der Warmwasserbedarf ist übers Jahr ungefähr gleich. Er hängt von der Zahl der Bewohner und ihren Gewohnheiten ab. In der Regel ist ein Warmwasserspeicher oder eine andere Versorgungsanlage vorhanden, die nun durch Sonnenstrom versorgt wird. Auch die Sonnenwärme aus solarthermischen Kollektoren lässt sich über den Pufferspeicher oder den Warmwasserspeicher in die Warmwasserbereitung einkoppeln.
Wer nur wenig Warmwasser braucht – etwa ein Singlehaushalt, ein integriertes Büro im Wohnhaus, eine Kleinfamilie – kann Solarstrom vom Dach auf einfache Weise für kleine, elektrische Durchlauferhitzer nutzen. Sie erlauben es, das warme Trinkwasser sehr wirtschaftlich und ohne hygienisches Risiko zu erzeugen. Allerdings fordern sie kurzzeitig hohe Ströme ab, je nach Schüttleistung. Deshalb brauchen sie unter Umständen entsprechende Batterien, um diese Leistung sofort zur Verfügung zu stellen. Danach speist die Solaranlage wieder in die Akkumulatoren und lädt sie neu auf.
Zu beachten sind die Energieverluste bei der Umsetzung des DC-Stroms aus den Akkus in Wechselstrom für die Durchlauferhitzer. Allerdings erlauben elektrische Durchlauferhitzer sehr geringe Anschaffungskosten. Zumindest im Sommer bietet sich diese Variante an. Im Winter könnte das Warmwasser durch die Heizungsanlage mit versorgt werden.
Das Heizschwert als Tauchsieder
Relativ jung ist die Idee, den Solarstrom direkt in den traditionellen Warmwasserspeicher zu speisen. Dazu bietet sich der Einbauplatz für den elektrischen Heizstab an, der bei den meisten Speichern ohnehin vorgesehen ist. Der Heizstab, auch Elektroheizpatrone oder Heizschwert genannt, kann mit DC oder AC laufen. Den DC-Solarstrom über den Batteriewechselrichter als Wechselstrom durch einen solchen „Tauchsieder“ zu schicken, verlagert einen Teil der Batteriekapazität in den Warmwasserspeicher. Man kommt mit kleineren Batteriepaketen aus, die bekanntlich noch recht kostenintensiv sind.
Man kann Solarstrom beispielsweise nutzen, um das Speichervolumen auf 65 Grad Celsius zu heizen (Legionellenschaltung), etwa jeden Mittag, wenn die Sonne aufs Dach brutzelt und ausreichend Solarstrom zur Verfügung steht. Oder man versorgt mit dem Solarstrom zunächst die elektrischen Verbraucher im Haus und füllt die Batterien (auch der Fahrzeuge in der Garage). Die restlichen Überschüsse wandern über das Heizschwert in den Warmwasserspeicher.
Diese Variante hat den Vorteil, dass der kostbare Sonnenstrom erst am Ende in Wärme umgesetzt wird, die bekanntlich deutlich günstiger zu bezahlen ist als elektrischer Strom. In dieser Konfiguration ist es sogar möglich, auf einen Netzanschluss für die Photovoltaikanlage gänzlich zu verzichten.
Bei den Netzkosten sparen
Dann braucht der Sonnengenerator keine teure Zusatztechnik mehr, um das Netz zu stabilisieren oder die Wirkleistung bei Netzüberlastung abzuregeln. Auch muss der Betreiber in diesem Fall keine Mehrwertsteuer oder andere Umlagen auf den Sonnenstrom zahlen, weil er ihn nicht handeln kann. Der Solargenerator wird überhaupt nicht mehr im Stromnetz wirksam. Weil er mit dem Netz nicht verbunden ist, braucht sein Betreiber auch keinen Gewerbeschein.
Allein die Berechnung der Wärmekosten zeigt die Vorteile, die sich aus der Photovoltaik ergeben. Die Kilowattstunde Wärme aus Erdgas kostet in Deutschland derzeit zwischen fünf und acht Eurocent. Solarstrom kostet zwischen neun und zwölf Cent je Kilowattstunde, je nach Größe und Komplexität der Anlage. Rechnet man ein, um wie viel einfacher eine elektrische Warmwasserbereitung ist, liegen die Vorteile auf der Hand. Wird der Sonnenstrom genutzt, um eine kleine Warmwasser-Wärmepumpe zu treiben, sieht es noch besser aus: Mit einer Kilowattstunde Sonnenstrom erzeugt die Wärmepumpe zwischen drei und vier Kilowattstunden nutzbare Wärme.
Eine Vielfalt denkbarer Lösungen ist mit relativ geringem technischem Aufwand realisierbar. Auf diese Weise treffen sich die klassischen Systeme zur Wärmeversorgung mit der Elektrik. Standen beide Systeme im Gebäude bisher weitgehend autonom nebeneinander, wachsen sie nun zusammen.
Heiko Schwarzburger ist Chefredakteur der Fachzeitschrift photovoltaik und Autor des Buchs „Energie für Wohngebäude - Effiziente Versorgung mit Strom und Wärme“ (ISBN 978-3-8007-3569-3). Darin sind zahlreiche Tipps und Hinweise für Installateure, Architekten und Planer gesammelt, sowohl für den Neubau als auch den Gebäudebestand. Das Buch ist auch als E-Book erhältlich.
Zum Thema Eigenverbrauch von Photovoltaikstrom lesen Sie auch unseren Beitrag "Solarstrom-Rendite: So arbeiten Photovoltaikanlagen wirtschaftlich".
